线性化的X波段CMOS低功耗高效率功放

刘江帆 朱华 曹诚 夏青 王哲 李昱冰 李秀萍

【摘  要】设计了一个X波段的高效率高线性度的宽带功率放大器。应用并联共源共栅结构减小三阶交调和三次谐波分量。应用体偏置技术，提高了功放的功率附加效率，降低了功耗。结合反馈技术，输入端采用双谐振网络，拓展了带宽。仿真结果表明，该功率放大器具有33%的相对带宽，14.5 dBm的饱和输出功率，PAEmax达到45%，输入三阶交调点为6 dBm，同时功耗仅为28.5 mW。

【关键词】功率放大器;并联共源共栅;双谐振;体偏置

1   引言

现代无线通信系统要求所有的组件集成在一块芯片上，CMOS器件具有较低的击穿电压和较大的衬底损耗，因此设计CMOS功率放大器非常具有挑战 [1]。传统的功放设计主要考虑输出功率，而在无线传感器应用中，更重要的是高效率和低功耗[2]。通常，效率与线性度需要权衡，因此线性化技术得到了广泛的研究[3]。此外，各种带宽拓展技术也被用来设计宽带功放[2，4]。本文将设计一个低功耗高效率的宽带功率放大器。

2   整体电路结构设计

本文设计的X波段功率放大器结构如图1所示。M1、M2是主放大器，A1、A2是辅助放大器，构成并联结构，Rf、Cf是反馈回路上的电阻和隔直电容，L1、C1、L2、C2构成了输入端的双谐振网络，L3、C3构成了输出端的匹配网络。

3   功率放大器的性能分析

如图1所示，功率放大器由并联的两路共源共栅级放大器组成，输出端电流为M2和A2漏端的电流叠加，设VGS值为直流偏置电压，vgs为信号电压，忽略三阶以上的分量，每一路电流都可以展开成泰勒级数表示：

选择合适的Vbias和Vbiasau值，使主放大器M1偏置在AB类，辅放大器A1偏置在深AB类，且G3，M=-G3，A，根据式（2）和式（3），放大器三阶交调和三次谐波分量都将被抑制。仿真结果显示，输入三阶交调点达到6 dBm，三次谐波分量小于-60 dBc，如图2和图3所示。

如图1所示，该功放加入了负反馈技术，可以调整功放栅极的输入阻抗，更易匹配。输入端L1和C1并联谐振，L2和C2串联谐振，产生两个谐振点，增加匹配带宽，输出端在8.5 GHz、10.5 GHz、12 GHz分别load-pull，选择等效率圆重合的最佳阻抗值由L3和C3进行匹配，从而将增益带宽拓展到8.7 GHz～12 GHz，M2和A2运用体偏置技术，源极与衬底相连，降低了阈值电压Vth，提高功放增益和效率，在10.5 GHz时，PAEmax达到45%，如图4和图5所示。

综上所述，本文所設计的功放各项性能参数（仿真）与其它文献的对比如表1所示。

4   结束语

本文对功放设计中线性度与效率以及带宽与增益之间的矛盾进行了分析，最终得出采用非线性抵消技术能够线性化功率放大器的结论。采用体电压偏置技术能够降低功耗，提高功率附加效率，采用双谐振技术能拓展匹配带宽，采用宽带load-pull技术能拓展增益带宽，采用负反馈能提高1 dB压缩点功率以及拓展带宽，这些技术对功放的设计具有重要的参考意义。

参考文献：

[1] Seunghoon Kang， Donghyun Baek， Songcheol Hong. A 5-GHz WLAN RF CMOS power amplifier with a parallel-cascoded configuration and an active feedback linearizer[J]. IEEE Transactions Microwave Theory Technology， 2017，65（9）： 3230-3244.

[2] Seungwon Park， Sanggeun Jeon. A full X-band CMOS amplifier with wideband class-E harmonic matching[J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2015，57（3）： 645-649.

[3] C Lu， A V H Pham， M Shaw， et al. Linearization of CMOS broadband power amplifiers through combined multigated transistors and capacitance compensation[J]. IEEE Transactions Microwave Theory Technology， 2007，55（11）： 2320-2328.

[4] Ku B H， Baek S H， Hong S. A wideband transformer-coupled CMOS power amplifier for X-band multifunction chips[J]. IEEE Transactions Microwave Theory Technology， 2011，59（6）： 1599-1609.